автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование уплотнения металлических порошков в процессе прокатки и формирование механических свойств неспеченных заготовок

На прозах рукописи '

Тойберт Томас

ИССЛЕДОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ 8 ПРОЦЕССЕ ПРОКАТКИ И ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕСПЕЧЕННЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность: 05.16.06 • порошковая металлургия и композицирнные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

о

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете

' Научный руководитель доктор технических наук Павлов Н.Н.

Оффициальные оппоненты

доктор технических наук Дурнеа В Д.

кандидат технических наук Гоциридзе А.В.

Ведущая организация АЛ "Композит"

Защита состоится * 18* апреля 1896 года в часов на заседании диссертационного совета совета Д063.38.17 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете <196251 Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, СПбГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ. Автореферат разослан * • 1936г.

Ученый секретер диссертационного совета

Кархин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА501Ы

Актуальность nt-обпемы; ___. Наше время отличается тем, что получают

раззнтие методы наиболее эффективно использующие сырье з сочетании с малым воздействием их на окружающую среду. Э связи с этим происходит широкое /спользоврние технологий, обеспечивающих малоотходные производства материалов с широким диапазоном свойств. Одним из эффсггизных способов получения качественных издэпий с различной пористостью явпяотся прокатка порошков. Этот процесс начинает получать широкое распространение, так ка;< позволяет с небольшим трудностями получать нг.оскив порошковые изделие. Недостатком этого способ« яеляегся сильное влияние незначительных изменений свойств исходных материалов на всо параметры.

Существующие методы расчета технологических режимов прокатки порошков не позволяют учесть . указанной особенности процесса, а следовательно и обеспечить необходимую стабильность свойств получаемых лент, что в свою очередь ограничивает- возможность промышленного применения прокатки металлических порошков.

Рос-'ет геометрических параметров процесса должен обеспечить возможность учитывать изменяющиеся свойстоа порошка и получение лент с заданными физико-механическими свойствами. Для этого необходимо изучить движение порошка и формование на всех стадиях процосса прокатки. Решению этой задачи, и посвящено настоящая работа. Материалом для исследования выбраны порощки алюминиово-кремниевых еллэвоы, так как сегодня особенное внимание удаляется этим сплавам, в связи с их высоким уровнем механических свойств в сочетании с малым удельный весом и низким коэффициентом линейного расширения, обеспечивающим возможность vix совместного использования со стапью во многих приборах и конструкциях. Определенный интерес для изучения порошков данного класса являются трудности их дефромиревания и спекания, так как это ограничивает использование этих сплавоа в порошковой металлургии. На ряду с этим объектом исследований явились и порошки других материалов, позволяющих расширить диапазон исходных соойитв.

Цель работы: Работа посвящается исследованию феноменологии процесса прокатки порошков, изучению геометрических параметров очага деформации и уплотнения, а также получению полуфабриката из порошков алюминиеоо-криемниевых сплавов.

Дня достижения этой цоли были поставлены и решены следующие задачи:

- изучение свободного движения порошка в бункерах различной геометрии;

- исследование движения порошка при прокатке;

- технологическая оценка свойств неспеченных порошковых тел;

- анализ феноменологии уплотнений порошка в очаге деформации;

- разработка методики расчета геометрических параметров очага , деформации, распределения давления и плотности по его длине;

• получение спеченного полуфабриката порошковых сплавов САС! и АКД^г.

Научная ноеизна: Предложена новая технологическая характеристика порошковых неспзченных материалов - сопротивление уплотнению. Разоаботан мегод определения сопротивления уплотнению на основе испытаний на срез, сжатие и растяжение. Установлена зависимость напряжения сцепления и сопротивления уплотнению от плотности неспеченных порошковых материалов.

Устанорлено существование критической плотности между областями структурного и Деформационного уплотнения металлических порошков. Предложен экспериментальный метод определения критической плотности.

Разработан метод расчета геометрии зон движения порошка при прокатка, основа иа реологии саойстс сыпучей среда и параметров процесса прокатки.

Результаты этих исследований выноситься иа зчщиту.

Практическая значимость, работы: Результаты данной работы позволяют производить технологическую оценку механических свойств порэшково-немеченных тел и использо&ать их для расчетов процесса прокатки.

На основании изучения феноменологии движения порошка при прокатке порошков сконструиооваио бункерное устройство, позволяющее получение

г

качественных порочкоаых лент плотностью 85-Э0%. Даны рекомендации дальнейшего изучения спекания .заготовок ялючиниезо-криемн^евых сллчвов САС1— и— АКД12. - Поручены—полуфабрикаты ~ ашх 'спласои обратным прессованием, предложен режим термообработки елльвэ САС1.

Апробация заботы 0снозкч.б положения диссертационной работы представлены на:

-Международной Гермна:-гско-Русской кочференции "Обработка давлением порошковых материалов" в Техническом Университете Берлина Берлин 1994

- Юаьфунаредной Русско-Гьрмачской конференции "Пластическая и термическая обработка металлических материалов" , с СПбГГУ, Санкт-Петербург 1995

- Российской научно - технической конференции "Инновационные наукоеихие технологии для России" ь СПбГТУ, Санкт-Петербург 1995

Публикации: Реьультеты работы опубликованы в & статей.

Структура и оЗъек работу Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, .заключения, списка литературы и приложения , иапвиенз из 159 страниц машинописного текста, включая 59 ру.сунксв, 22 таблиц и библиографию а количестве 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Обоснована актуальность выбранной темы, а такжэ сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна

1 Обзор литературы В обзоре рассматриваются существующие методы оценки механических свойств лорошково-неспеченных тел. Рассматриваются эллиптическое условие пластичности, условие предельного рлпнопесия Кулона, другие методы огределенмя предела 1екучесги порошкоао неспечгнных теп. Указывав гея >.-а то, что существуйте методы требуют проверки применимости их в практически* расчетов. Проанализированы работы, последующие свободное движение порошка в бункерах, как необходимый швг для исследования движения порош« при прокатке. При это»-* особое внимание уделено аналитическому описанию свободного течения порош>з. Рассматриваются сущестзующие работы по исследованию фэноме'юлогии

процесса прокатки порошков. Рассмотрены модели расчета распределения

»

плотности по очагу деформации при прокатке горошков. Показано некоторое несоответствие моделей с феноменологией процесса. Так как аналитическое определение геометрических параметров очага деформации затруднительно, существующие расчетные методы требуют дополнительной прооерш. Показана перспективность • использования алгоминисео-кр^вмнеаых сплавов В промышленности.

Анализ литературного материала позволил опряделеиить цели и задачи а также объекты исследования денной работы. '

2. ПриДЕарительчыа исследования Бо второй главе обосновывается выбор использованных материалов. При этом выбраны 5 порошков, имеющих широкий диапазон свойств и определены их свойства: грэнсостав, плотность, угол межчастичного трения, построены компрессионные кривые. Предложен способ определения напряжения сцепления между двумя слоями-горошка. Даны характеристики оборудования, использованного в работе.

З.Оценка свойств горошковых неспеченных тол 8 третьей главй приведеьы результаты испытаний на срез, сжатие и растяжение для порошков ПЖВ4М2, ПМС1, губчатой железы, САС1 и АКД12. Эхспеиментальные данные . англизировались стандартными пакетами EXCEL и MICPOCAL CRIGIM. Получены рефессионные уравнения зависимостей пределов прочности на срез, сжатие и растяжение от плотности. С использованием полученных данных проверена возможность применения условия предельного равновесия Кулона дня технологических расчетов,

t.,=cj„tar. р + k, ( I)

где С - угол межчастичного трения, ¡ч напряжение сцепления. Показано, что данное условие не' может быть ьспользоьгно при плотности больше насыпной. Расчет условия гшастичкости по эллиптическому условию также не дат удовлетворительных результатов. Проверены и другие мзтоды определения пределов текучести. Установлено соответствие только в узких пррделэх плотности. Предложен мьтод технологической ецэнкм, названной в данной работе - сопротивлением уплотнению, обоснованы* на определении пределоо прочносш ча срез и на сжатие. Основан метод на следующих предположениях. На стадии уплотнения металлических порошкоч, пои «горой проявляется весьма незначительная пластическая деформация чаттиц .допустимо исключение их упрочнения. Для порошковых млтариалоз

необходимо различать двг рагных механизмов уплотнения. При Глалых плотностях уплотнение материала происходит в основном за счет струкгурмых двфоэмации,- Пластическая реформация~начинает "Проязлться нэчиная_Т некоторой критической плотности. При этом помимо увеличения чиспа контактов увеличивается их поверхность. Образуатся жесткий каркас, в котором уплотнение происходит при высотах плотностях в основном зе счет пластической деформации частиц.

пределы прочности дгв порсша ПЖВ4М2 в зависимости от плотности

4.0 4,5 3,0 5,5 3.0 0,5

'ЛС^НС^ТЬ ."/схгЗ

рисунок 1 зависимости предпов прочности при растяжении и ежа гии от плотности для порошка ЛЖВ4М2

На рисунке 1 показаны зависимости пределы прочности при сжатии и растяжении. Стрелками указано на критическую плотность, отражающая граница мег^у областями структурного и деформационного уплотнения, для данного порошка енз составляет «0-5,25 г/см3, что соответствует относительной плотности *0,ъ5.

На основании выше сказанного можно прийти < уравнению сопротивления уплотнению К

ННФ

где ос1) - предел прочности ;1ри срезе,

*

se' = cej(O) - ocp ; a a - предел прочности при сжатии, оср(0(р) • предел прочности при срезе при критической плотности ((),(,} О,:В.. те/ущио плотности до и после критической О, - компактная плотность Видно, что при малых лястностях сопротивление уплотнению характеризуется чистым сдвигом, то есто пределом прочности при срезе. При плотностях выид? критический сопротязленче уплотнению определяется в основном пределом прочности при сжатии, который близко к пределу текучести порошкового тела. В данной работе принимается упрощенный вари-знт ураенвнля 2:

К=(1-0) тсД0) + С а„{Э)/МЗ (3)

где rc0=av ; Сс*=ое- '

Проверка данного услозип произведена расчетом коэффициента бокового давления. Из литературы известно, что коэффициент бокового давления изменяется линейно в пределах от 0,8 до 0,2. Связывая давление на пуансон при одностороннем, прессовании с. боковым давлением пренебрегая внешним трением и/используя условие пластичности Губера - Мисеса была установлено, что коэффициент бокового давления по данному расчету в интервале эксперимента действительно линейно заеисит от плотности, что позволяет для Ьолеа низких плотностей определить К, исходя из обратного, при известном давлении прессования легко получать сопротивлении уплотнению.

4. Исследование процесс? ппокатки В четвертой главе произведен анализ свободного течения порошка в бункерах сгоризонтальным днэги, с наклонными « валкообразными боковыми стенками. Установлена зона движения порошла, имеющая относительно выходного зазора s образующую под углом межчастично! а трения р.' Исследованы зависимости толщчны зоны движения ,Ь от величины зазора s и угла наклона боковых стенок а. Определены геометрические параметры зоны движения, обоснован на гвойс'ва порошка и размера.зазора бункера. Показано л помощью уравнения (1) и кругоч Мсюра, что угол между нормальным напряжением и максимальных касательных напряжении при одиг.акочой плотностч будет постянен и равняется я/?-р. Показано на лрмер® порошков АКД12, ПЖВ4М2 и САС1, что повышение угла Межчастичного трения иядет к снижению ширины зоны движения. Выполнен

расчет геометрии зоны движения методом линии скольжения. Показано, что этот метод расчета неприменим для решения данной задачи.

---------С ломощьы'вйсокосчоростнбй'с^мки'р^ кадров/с), иссяедовзн процесс

прокатки порошка типа ПЖВ4М2 при скорости прокатки-12 мм/с на стане 250. Анализ показал, что захват порошка происходит начиная с угла »35*. Глубина захвата увеличивается с проникновением порошка в счаг деформации. В центр« с^'Ществует , зона порс'лкса, неподсергшийся влиянию вэпкоэ. Исследование распределения скорости на основе анализа кинопленки показал, что существует в центра очага дефорацич зона свободного движения порошка, подобно свободному движению а бумчерах. После того, кг»;: происходит зажат порой.«"» эчпгзми го; то сгободногс движения сужается. Захсаченый порошок начинает опережать центральные слоя. Происходит встреча захаачзнкхы валками слоев. Угол встречи составляет в данном случае =20°. На. основании исследовании свободного движения порошка в бункерах был проведен расчет по схема, покэ.эачой на рис.Э.

палками споях одинаково. Можно сделать заключение, что и плотность внутри этсю слоя не существенно отпичаэтся от плотности Центральных Отмпчено, что плотность а средней части не может сильно отличаться от плогнзсти порошка при сеободном движении,-.-и тетям образом В сечении

естремл захваченных валками слоев плот кость не сильно отличается от насыпной плотности. На основании проведанного анализа физический отчаг двформации при прокатке порошков можно разделить На две зоны - зону г.одачи или питаьия зону уплотнения, в которой происходит уплотнение от плотности утряски до плотности пенты.

На оснозо недокатов, попущенных на стане 250. определена рапред-глзние плотности в очаге деформации при прокатке порошкор. Анализ Макроструктуры недокатов прикел к следующим заключениям. В верхней части недожата материал уплотняется за счет сил трения . между валком и порошковым телом Ниже начинается воздействие боп&з плотных приконтактных слоев на центральные слоя. Происходит под воздействизм сил тренья спрессовывание цзнтрэльных слоев. При этом начинается изаи.иноо уплотнение центральных и приконтактных слоев, что соотвотствуо стадии структурного уплотнения. Пластическая деформация ограничена на контакгах между ' частицами и не охватыоают весь объем порошка. В сечании, соответствующим углу 2- 4" порошок принимает плотность чаиСюме плотной укладки, что соответствует началу пластической деформации частиц. Пористости определялась на оптическим микрссгопоги НСОФОТ-2 с исползозакизм упрощенного метод-; Глаголева. Пористость была определена на устройством "КБАНТИМЕТ"-е, погрешность составила при этом 2%. Длина недокзга составляла «20мм, что соотоетствоаал углу го валкам примерно 10°. С помощью стандартной программы ЕХСЕ1. получаны регрессионные уравнения распределечия средних плотностей по длине очаге деформации. Анализ уравнений показал, что сечение максимального уплотнения совпадает с сечением начале пластической деформации. Определены также углы соответствующие плотности утряски, которых а литературе принято считать углами лрокатки.Сопостэалбные плотности центральной и лриконтактных зон. Установлено, аыяаило рааницу плотностей для ПМС1 не более 10%. Таким образом можно было придти к выводу о применимости гипотеза плоских сечении при расчете распределения плотности то длине очага деформации для митаплических.

Имея услсвио сопротивления уплотнения и считая его справедливым до 'состояния наемпной плотности и . зная угол начала уапотнения можно

определить распределение плотности по длине очага деформа! \ии. «

А"

-Л.

/Ч tft-чкт, -i ^.

* - , х

oh'2 Ч —

Р(*су>к«: ? Схема действия сил на выделенное сечение при лрохатке порошков

Исходя из рэвнозесил сил, принятого при прокатке {рис.31 полунаем дза уравнений:

(3)

2k+tf, . />=----!-

cosç>i/sin<?

где í =1~пр - киеффициент внеа'чего трения Р- дпалекие 5ал,<ое на порошковой тело, К-сопротисление уплотнению, g - текщий угол , af,úay -напряжение действующее в направление прокатки и во приращени«, ¡> толцииа ленты.

Зг.аки ">■" и соответствуют зона« отставания и опережения. Расчет вздегса следующим образом: Для расчета угла сечении ьачэпэ уплотнения воспольэурмеч схемой рис 2. Принимаем, что линию захвата можно описать чолдратным уравнением у=ао+а,х+а;Лг.. с известными. 00 -act« точхах отправлениями касательных. Тогда легко определить, èee коэффициенты. При известили тегъщин-з панты можно найти угол острэчи двух симмётоиччыл фрмцил ч«™', потерь'**. определяет сечвн-».а«гчапа.утоилнеикягrfam»«Орамш для данного сечения яггестчо <зу {рис.3}, приншая К-0 (фи p¿=,.«, лет» получа«» из ур-зпиоыгй 3 соответствующие Р и соу. Pj.-отиость .едедуьщфго-сечотт. определяется «з пглучеичоп? ?, соп^-отигпекие уплотнению К из полученной rro.vocw, v <Ц пгер>1Ду1Ц5гг-> сечения, прадспая расчет Р

данногс сечзн'-я, гопучеем вехз чео-Тходтыа данные для расчета додозирх слс-га 1ътм «йразом ыжно полузть котором пяотхдаь.

разнявтст пяоткт фркх», тотсрый ©ютбетатзузт уггг/ грскат' В таблица 1

показаны у-лы начала уплотнения и углы прокатки по данным расчета апр ряс и эксперимента 1Х„Р н<да. В частности для порошка ЛЖЯ^Мг в литературе даете» «п, = 8,3-1*Л

таблица 1 Сразнониь расчетных углов прокатки с экспериментальными и с рьтепатрными данными

О-залв ; ^Лр | НиД

ПЖВ4М2 18,8 10,35 I

ЛМС1 21,Я 10,75) 10,9

железная губка 28,1 12,36 | I , .. и,п

Показы !0, соответствия данных эксперимента и расчета, что дает право примять сдсланныо допущения. На основании наложенного можно сделать вывод о применимости данной кюдст!/, и для больших плотностей. 5 Получение полуфабрикатов сплавов АКД12 и (?АС1 Прокатка порошков спловоа АКД12 и САС1 показала, что данные порошки мохло считать трудно деформируемыми. Для их прокатки был сконструирован и иагтоелен бункер с подвижными боковыми лонгами, ограничивающие ширину проката. При этом обеспечивается равномерное распределение плотности по ширине ленты. Для расширения диапазона скоростей прокатки и увеличении ширины ленты необходимо устанавливать отдельный привод для движения ленты, скооость которой должна быть равной окружной скорости валков. В частности были полученный ленты шириной ЗЭмм при ширине бочки валка 40 мм. Ленты АКД12 имели изменения плотности в пределах от 2,26 - 2,37, что соответствует 8589%, а САС1 соответственно от 2,15-2.29 г/ем', и 81-86%. Проведенное спекание при разных температурах, в диссоциированном аммиаке и в контейнере с газопоглатитальем Т!, не дало положительных результатов, так как деформация частиц при прокатки порошков была недостаточна для разрушения окисной пленка вокруг частиц, поэтому в дальнейшим были совмещены процессы спекания и пластической деформации. Полуфабрикаты были пол учены изостзтическим прессованием и последующим горячим оЗратним прессованием в ходо совместной работы мохузу Техническим Университетом Берлина и СЛбГТУ на горизонтальном гидравлическим 8МН прессе ТУ Берлина. Темпе рстура нагрева заготовок, толченных •предварительным холодным изостатическим прессованием составляла 42Э*С. Заготовки имели диаметр 107мм, длину 150мм и относительную плотность 60-&{■% (скорость прэссования 2 тт/з). Полученные с разными вытяжками

прямоугольные и круглые профили были подвергнуты разным термообработкам г, целью выбора оптимального режима, который соответствовал для сплава СДС1~540°—1чГ Закалка,175'С Зч. Данная термообработка служит снятием остаточных напряжении. Принятое ранее термообработка 485°С 1ч, закалка, 175°С Зч дзет некоторое снижение механических свойств. Пердложенная а данной работе термообработка дает повышение твердости от 8-20% относительно ранее принятой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Оснгтиью породы рчботы.

1. Прм изучении свойств исходных г/.еталлических порошков определены углы межчастичного и Енешнзго трений с использованием различных методов, а также напряжения сцепления в горошка;;. Построены компрессионные кривые для порошков ПМС1, ПЖВ4М2, губчатого железа, САС'| и АКД12. Получены для них уравнения, при этом установлены их мера определенности, которые соотазлены из квадратов коэффициента корреляции.

2. На основании проведенных испытаний неспечениых образцов на срез осадку и растяжения установлено, что процесс уплотнения порошкового материала ?/ожст бь,ть разделен на двэ области, область с!руктурного уплотнения без заметной пластической деформации частиц, и облреть, где превалирует деформация частиц порошка. Г.окаэлнп возможность опредэлен'ля критической плотности испытаниями на сгез, сжатие или осадку. В частности для железного порошка относитепьная плотность, соответствующая началу пластической деформации равна 0,65- 0,вб. Также нч основе проведенных опытов показана ограниченность применимости теории круги Мора и эллиптической уравнений пластичности. Разработана методика технологической оценки механических свойств порошковые ^атериалоз.

3.Нп основании исследования кинотики процессов свободного истечения порошка из различных по форме бункеров и прокатки предложен метод расчета гго.Убтрическии зон движения, ссчовызаясь на сгойства сыт/чего тела и пар^етров инструмента. Исспользованиэ дпя этой цели метода линии скогьжеття оказалась несостоятелькым.

4 Ня основании исследования результатов высокоскоростной киносъемки процрссэ прокатки и анализа формирования макроструктур порошковых материэлоа в очаге деформации на стане 250 предложен новая концепция'

процесса уплотнения при прокатке, основана на геометрических параметров процесса.

5. Разработаны и изготовлены конструкции нажимного устройства прокатного стана 250, а также устано?лен подвижный ботовой ограничитель, при котором существенно улучшилось качество ленты и который позвил получить качественные сырые ленты - полуфабрикаты сплавов САС1 и АКД12 С. Получены спеченные полуфабрикаты данных еппаеов путем совмещения спекания с обработкой давлением, оптимизирован режим термообработки еллаза САС1.

По диссертации опубликованы следующие работы:

1.Н.Н.Павлсв,В.И.ЦеМ'Энко,Т.Тойберт Обработка давлением порошковых и композиционных материапоэ, Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении, Тезисы докладов российской научна-технической конференции, Рыбинск 1494, стр.17 ¿-172

?.. Zemeriko V.M., Teubert Th Herstellung flacher Sinterteüe, Schuetiverhalten der eingesetzten Pulver, Vortraego der Vortragsveranstaltung "Metallumformung von Puivep.verkstoffen" TU Berlin 1994 S.4-7

3. Пвзлов H.H., Цеменко Ö.H., Тойберт Т. Прокатка композиционных лент из диспеосных обогащенных концантратоЕ железных руд, Санкт-Петербургский Горный Институт, Санкт-Петербург 1994 стр. 1ER

4. Pawlow N.M., Zemenko V.N., Teubert Th. Untersuchung der physikalschan Prozesse beim Pulverwalzen und ihre Anwendung bei der Modellierung des Prozesses, тезисы докпадов международной конференции "Пластическая и термич&ская обработка металлических материалов.'", СП6ГТУ.1995 стр.46-48.

5. Тойберт Т. О геометрии зоны движения при свободном течении металлических порошков из разпичных бункеров, Сборник трудов Санкт-пегирбургской Государственной Инженерно - экономической Академии, СПб 1998 стр.50-54

6. Тойберт Т, Предварительные исследования для создания технологии изготовления порошковой ленты сплавов системы Al-Si, Тезисы докладов Российской научно - технической конференции "Инновационные наукоемкие

' технологии для России" 25. • 27. апреля 1995, Санкт Петербург 1995 стр.9